CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

火灾与撞击联合作用下钢管混凝土柱力学性能研究

为研究火灾高温与撞击联合作用下钢管混凝土柱的力学性能,基于ABAQUS建立了高温作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱侧向撞击有限元模型。首先,对高温与撞击联合作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱的破坏模式与受力全过程进行了分析,探讨了高温下钢管混凝土柱的抗撞性能与工作机理;其次,重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及撞击能量对抗撞性能的影响,并给出了相关设计建议。研究结果表明:高温与撞击联合作用下,钢管混凝土柱主要发生受弯破坏;受火15 min后,构件抗撞性能明显降低。轴压力对构件抗撞性能产生不利影响,轴压比从0增加到0.2,受火60 min构件抗撞性能下降了7.8%;混凝土强度对高温下钢管混凝土柱抗撞性能有显著影响,受火90 min后,混凝土强度由30 MPa增加到50 MPa,构件抗撞性能提高约85%;外钢管强度与含钢率对高温下抗撞性能影响不大。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了侧向冲击试验，研究了落锤冲击钢骨混凝土构件的冲击全过程和最终的破坏形态；分析了钢骨混凝土构件冲击力、位移和轴力时程曲线的特性；对比了不同冲击速度、冲击能量、轴压和边界条件等因素对钢骨混凝土构件的动力响应的影响。结果表明:钢骨混凝土构件在落锤冲击作用下外侧混凝土破坏严重，且冲击能量越大，外侧混凝土越易出现剪切破坏，但内部钢筋和钢骨只发生了一定的弯曲变形，表明钢骨混凝土构件抗冲击性能整体良好。本次试验参数范围内，钢骨混凝土构件的冲击力和跨中位移随冲击速度增加而增大；轴压力增大使钢骨混凝土构件的冲力峰值增大，冲击持时和跨中位移减小；相对于固简支和两端简支的边界条件，两端固支的边界对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最好。     

高温作用下钢管混凝土构件侧向撞击性能

通过耦合ABAQUS有限元软件中的隐式静态分析和显示动态分析，提出钢管混凝土构件在火灾与撞击联合作用下的数值计算方法，分别对已有钢管混凝土构件的温度场试验、火灾下轴向撞击试验和常温下侧向撞击试验进行数值模拟，以验证本文方法的合理性。在此基础上建立了钢管混凝土构件在不同温度下的侧向撞击有限元模型，分别对不同温度下的挠度和撞击力时程曲线进行对比，采用极值后平均撞击力和吸能系数对高温作用下构件的抗侧向撞击性能进行量化分析，并分析了600 ℃下构件撞击全过程。结果表明:温度对钢管混凝土构件的侧向撞击性能影响明显，随着温度升高，构件跨中挠度大幅增加，撞击时程变长；高温下构件的撞击力时程曲线与常温下差异明显，高温下曲线可分为震荡阶段、下降阶段和卸载阶段；构件主要通过整体弯曲变形吸收落锤的动能，随着温度升高，极值后平均撞击力和吸能系数逐渐降低，表明构件的抗撞击性能逐渐降低，当温度超过400 ℃后，构件抗撞击性能损失严重。     

基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法

中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST）构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。     

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙（steel-concrete composite wall, SC wall）常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明：随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。     

纤维复合材料包裹钢管冲击功响应分析

对冲击功曲线在三个发展阶段的特征进行探讨,研究了结构的抗冲击性能评价指标并对侧向冲击作用下玻璃纤维复合材料(GFRP)包裹钢管的动力响应与抗冲击性能进行了分析。结果表明:冲击功曲线在各个阶段呈现不同特征,平台阶段冲击功的增加值占总冲击功的比重最大,显著影响全程的冲击功发展。抗冲击性能评价指标主要包括吸能、冲击力平台值及耗能系数。GFRP厚度的增加提高了试件的强度及整体刚度,使试件在更小的位移内所吸收的能量增加,改善了抗冲击性能;不同冲击能量下冲击力平台值与耗能系数稳定。速度峰值随GFRP厚度的增加而提高,而试件的最大位移与应变减小;由于在冲击过程中存在能量损耗,试件的吸能值小于落锤初始动能。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

不同宽厚比H形截面钢梁抗冲击性能

基于经实验校核的非线性有限元模型,对受横向冲击作用的H形钢梁进行了有限元分析。设计不同宽厚比组配的H形钢梁,分析H形钢梁跨中受横向冲击的动态响应和应力发展过程,并研究宽厚比对H形钢梁抗冲击性能的影响,重点讨论了腹板厚度、翼缘厚度对冲击力平台值和峰值以及耗能的影响。分析结果表明,两端铰接H形钢梁在跨中受冲击载荷作用下的变形模式主要为弯曲变形。相同冲击能量下,冲击力平台值主要受翼缘厚度的影响,冲击力峰值主要受腹板厚度的影响。翼缘厚度对钢梁抗冲击性能的影响要大于腹板厚度。本研究可为不同宽厚比H形钢梁的抗冲击设计提供依据和参考。     

Integrity of VVER steam generator tubes

The eddy-current inspection is applied to Vitkovice to non-destructive testing of the steam generator tubes. The steam generator tube specimens, 16 mm by 1.5 mm, are made of AISI 321 steel with stress corrosion cracks. They were tested by the single-frequency eddy current inspection method. Samples with known flaws were metallographically sectioned to determine the actual extent of corrosion degradation. The relation between measurement of the tube wall corrosion damage and actual extent of corrosion attack or stress corrosion cracking (SCC) was determined.Pressurized specimens with machined notches of various geometries were tested up to failure. The effect of flaw depth and length on the burst pressure were evaluated.     

长期荷载作用下CFST界面粘结损伤试验研究

为考察在役钢管混凝土界面粘结性能与荷载作用时间的关系,以荷载作用时间段为基本参数,完成了7根圆钢管混凝土试件的推出试验.试验结果表明,钢管混凝土界面粘结力随荷载作用时间的延长而减小.根据试验结果,得出各个试件的荷载—滑移曲线.基于ANSI/ACI308-1992混凝土养护规程,得出每个试件在荷载作用下的混凝土徐变应变.从损伤力学的角度出发,定义界面损伤变量,推导了混凝土徐变应变与损伤的关系.通过回归得出含损伤变量的界面粘结—滑移本构关系.     

组合荷载作用下腐蚀缺陷管道的极限承载力

腐蚀缺陷的存在会降低管道的承载力,影响管道的正常运行.考虑了管道轴向与环向材料强度的各向异性,提出了腐蚀缺陷压力管道在内压、轴力和弯矩组合荷载作用下极限承载力的一组广义解.推导了等深度腐蚀、椭圆腐蚀和抛物线三种形状腐蚀缺陷管道的解析解.通过算例验证了解析解与广义解结果具有很好的吻合性.腐蚀形状对极限承载力有显著影响,把...     

轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

Fatigue and damage tolerance behaviour of corroded 2024 T351 aircraft aluminum alloy

The fatigue and damage tolerance behaviour of pre-corroded 2024 T351 aluminum alloy specimens has been investigated and compared to the behaviour of the uncorroded material. The experimental investigation was performed on specimens pre-corroded in exfoliation corrosion environment and included the derivation of S–N and fatigue crack growth curves as well as measurements of fracture toughness. The fatigue crack growth tests were performed for different stress ratios R. To obtain reference material behaviour all mechanical tests were repeated under the same conditions for uncorroded specimens. For the corroded material an appreciable decrease in fatigue resistance and damage tolerance was obtained. The results of the experimental investigation were discussed under the viewpoint of corrosion and corrosion-induced hydrogen embrittlement of the 2024 aluminum alloy. The need to account for the influence of pre-existing corrosion on the material’s properties in fatigue and damage tolerance analyses of components involving corroded areas was demonstrated.     

AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE IMPACT PERFORATION FAILURE OF WATER-FILLED-PRESSURIZED PIPELINES

Some experimental data recorded from impact tests on empty and water-filled pressurized mild steel pipes are presented. The pipes were supported as a three-span continuous beam and impacted laterally by a rigid indenter at the mid-span of middle span. Three kinds of indenter nose shapes were used: blunt-nose, hemisphere-nose and 90?conical-nose. The internal pressure ranged up to 20 MPa. The perforation failure modes and corresponding critical impact energies were obtained under different test conditions. The time-history curves of the internal pressure and impact force were given. The experiments show that the media filled in the tube greatly decreased the ballistic limit energy.     

锈蚀H型钢偏心受压承载性能试验研究

通过锈蚀H型钢构件的偏心受压试验,研究锈蚀对H型钢构件偏压承载能力的影响,并为工程师提供锈蚀H型钢构件偏心受压承载能力的试验数据。试验采用5根锈蚀H型钢,2根未锈蚀构件作为对比试验,分别对受拉翼缘、受压翼缘和腹板的锈蚀对H型钢构件偏心受压承载能力的影响进行了详细探究,得出翼缘的锈蚀对钢构件偏压承载能力的影响较腹板显著,其中受压翼缘比受拉翼缘影响更甚。锈蚀对钢材力学性能的影响也在文中进行了试验研究,结果表明：钢材的锈蚀对其屈服强度和极限强度无显著影响,但显著影响钢材塑性性能。     

冲击荷载下内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应

以一种内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱为研究对象，在自主研发的无导轨式大型落锤试验机上，完成了3种不同边界条件、2种不同冲击高度以及2种不同轴压比的侧向冲击实验。研究了不同冲击高度、边界条件和轴压比下试件的破坏形态、冲击力时程曲线和跨中位移时程曲线，并选取一根普通空心钢筋混凝土试件与同条件的内衬钢管空心钢筋混凝土试件进行了对比。结果表明:用内衬钢管替代内置钢筋笼使得构件的抗冲击性能明显优于相应的普通空心钢筋混凝土构件，且在轴压比不超过0.3的范围内，轴压比的改变对冲击结束后本内衬八边形钢管空心钢筋混凝土试件的残余挠度影响不大。     

Ratcheting,wrinkling and collapse of tubes under axial cycling

Circular tubes compressed into the plastic range first buckle into axisymmetric wrinkling modes. Initially the wrinkle amplitude grows with increasing load. The wrinkles gradually induce a reduction in axial rigidity eventually leading to a limit load instability followed by collapse. The two instabilities can be separated by strain levels of a few percent. This work investigates whether a tube that develops small amplitude wrinkles can be subsequently collapsed by persistent cycling. The problem is first investigated experimentally using SAF 2507 super-duplex steel tubes with D/t of 28.5. The tubes are first compressed to strain levels high enough for mild wrinkles to form; they are then cycled axially under stress control about a compressive mean stress. This type of cycling usually results in material ratcheting or accumulation of compressive strain; here it is accompanied by accumulation of structural damage due to the growth of the amplitude of the initial wrinkles. The tube average strain initially grows nearly linearly with the number of cycles, but as a critical value of wrinkle amplitude is approached, wrinkling localizes, the rate of ratcheting grows exponentially and the tube collapses. The rate of ratcheting and the number of cycles to failure depend on the initial compressive pre-strain and on the amplitude of the stress cycles. However, collapse was found to occur when the accumulated average strain reaches the value at which the tube localizes under monotonic compression. A custom shell model of the tube with initial axisymmetric imperfections, coupled to a cyclic plasticity model, are presented and used to simulate the series of experiments performed successfully. A sensitivity study of the formulation to the imperfections and to key constitutive model parameters is then performed.